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《西北工业大学》 2007年
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稀磁半导体Hg_(1-x)Mn_xTe的晶体生长及性能表征

王泽温  
【摘要】: Hg_(1-x)Mn_xTe是由二价磁性离子Mn~(2+)部分取代HgTe晶格中的Hg~(2+)形成的三元稀磁半导体。零磁场时,Hg_(1-x)Mn_xTe的电子能带结构及其它半导体性质(包括禁带宽度、电子空穴迁移率、载流子浓度等)与Hg_(1-x)Cd_xTe十分相似,并在某些方面的性能更加优越。因而,Hg_(1-x)Mn_xTe成了替代Hg_(1-x)Cd_xTe制作红外探测器的一种主要候选材料。由于Mn~(2+)离子的存在,磁场下的Hg_(1-x)Mn_xTe具有很多新的性能。制备高质量的Hg_(1-x)Mn_xTe晶体是材料研究及器件发展的关键。 为了减少生长态Hg_(1-x)Mn_xTe晶体中的位错及Hg空位,获得性能优良的单晶体,本文从坩埚的镀膜工艺优化、长晶炉的温场设计、晶体生长结束后的原位退火、原料的配比调整以及封装工艺的改进五个方面进行了工艺优化和改进。通过不同的工艺组合,成功生长了多根Φ15×135mm~2的Hg_(1-x)Mn_xTe晶锭。所生长的晶锭表面光滑,说明通过改进镀膜工艺制备的碳膜有效防止了晶体与坩埚之间的粘结。采用化学计量比配料,抽真空时使用液氮对Hg冷却,并在生长结束后进行长时间退火处理,显著降低了晶体的缺陷密度,提高了晶体的结晶质量,从而改善了晶体的电学及其它性能。通过该工艺所获晶片的载流子浓度、迁移率和电阻率分别在1.5×10~(16)cm~(-3),500cm~2·V~(-1)·s~(-1)及0.75Ω·cm左右。而对于用来制备器件的p型红外晶体来讲,当载流子浓度小于3.0×10~(16)cm~(-3),迁移率大于400cm~2·V~(-1)·s~(-1)即可满足器件需求,通过对比可以看出,所获晶片的这两个性能都大幅度超过了这一要求,说明通过改进工艺所获晶片已经可以直接用于器件制备。 采用霍尔范德堡测量方法分别在77K和室温下对多个Hg_(1-x)Mn_xTe晶片的电学性能进行测量时发现,部分晶片在77K下的导电类型为p型,而在室温下却为n型。通过理论分析对此现象进行了解释。分析表明,Hg_(1-x)Mn_xTe晶片中电子迁移率与空穴迁移率的比值较大和Hg_(1-x)Mn_xTe的禁带较窄是造成晶片导电类型转变的主要原因。室温时该方法仅适合对Hg_(1-x)Mn_xTe试样的电阻率进行测量,而采用该方法在室温测得的其它电学参数已经不能反映Hg_(1-x)Mn_xTe试样的真实性能。利用该方法在77K对化学抛光前后的Hg_(1-x)Mn_xTe试样测量时发现,试样在化学抛光前所测的电阻率和霍尔系数值相对较小,而所测的霍尔迁移率和载流子浓度值相对较大。其中电阻率和霍尔迁移率在化学抛光前后变化幅度分别高达25%和31%,而霍尔系数和载流子浓度的变化幅度只有2%左右。化学抛光前,晶片表面损伤层内存在大量位错,对载流子的迁移造成散射,使得损伤层中的霍尔迁移率降低,但化学抛光前所测得的霍尔迁移率反而比抛光后的大,增幅最小的也达到了21%。本文在三层模型的基础上,通过理论分析和计算,对这一反常现象以及化学抛光前后其它电学参数的变化进行了解释。 根据不同的器件制备需求,半导体和金属应形成欧姆接触或肖特基接触,通过对Au/Hg_(1-x)Mn_xTe接触与Al/Hg_(1-x)Mn_xTe接触的Ⅰ-Ⅴ特性研究表明,Au/Hg_(1-x)Mn_xTe接触为良好的欧姆接触,而Al/Hg_(1-x)Mn_xTe接触为具有整流特性的肖特基接触。经理论推算得出Al/Hg_(1-x)Mn_xTe肖特基势垒的高度为0.38eV。 试样的显微硬度测试表明,晶片在磨抛之后,残留的表面损伤层软化了晶片表面,因此测得的显微硬度值偏小。过度腐蚀之后,晶片表面将富集一层Te,对晶体表面起到硬化作用,此时测得的显微硬度则偏大。只有在腐蚀3分钟后测得的显微硬度才比较接近晶片的真实情况。Hg_(1-x)Mn_xTe晶片显微硬度随着应用载荷的增加逐渐减小,呈典型的ISE现象,对此可以利用Hays-Kendall理论或者PSR模型使在不同载荷下测得的硬度值得到统一化。Hg_(1-x)Mn_xTe晶片的显微硬度随着Mn含量的增加急剧上升,当x值从0增大到0.26时,其硬度从26kgf·mm~(-2)增大到了50kgf·mm~(-2)。 采用超导量子磁强计对Hg_(0.89)Mn_(0.11)Te试样磁化强度及电阻率随温度变化的规律进行了测试。结果表明,Hg_(0.89)Mn_(0.11)Te在5K到300K之间是单一的顺磁态。温度高于40K时,Mn~(2+)离子之间存在弱的反铁磁相互作用,磁化率与温度之间满足居里-万斯定律。低于40K时,磁化率倒数向下弯曲,偏离居里-万斯定律,表现出顺磁增强现象。磁场下,Hg_(1-x)Mn_xTe晶体电阻率大小主要和晶体内形成的霍尔电场及Mn~(2+)离子与带电子间的sp-d交换作用有关。霍尔电场的存在导致试样电阻率升高,而sp-d交换使试样电阻率减小。在80~200K高温区sp-d交换作用较弱,因而磁场下的晶体电阻率呈增大现象。而随着温度的降低,sp-d交换作用逐步增强,所以随着温度降低,试样在磁场下的电阻率增幅越来越小,甚至低于零磁场下的电阻率。在5K到30K的低温区,较高磁场下的Mn~(2+)离子与价带电子之间的交换作用致使受主电离能减小,导致磁场下自由载流子的“沸腾”。同时,受主波函数空间范围的扩大使得杂质电导率增大,因而磁场下的晶体电阻率在该温度区急剧下降。5K时,磁场每增加20kOe,试样电阻率就下降大约一个数量级。
【学位授予单位】:西北工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TN304.2

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【引证文献】
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